Un oscilador Colpitts , inventado en 1918 por el ingeniero estadounidense Edwin H. Colpitts , [1] es uno de varios diseños para osciladores LC , osciladores electrónicos que utilizan una combinación de inductores (L) y condensadores (C) para producir una oscilación en una cierta frecuencia. La característica distintiva del oscilador Colpitts es que la retroalimentación del dispositivo activo se toma de un divisor de voltaje hecho de dos capacitores en serie a través del inductor. [2] [3] [4] [5]
Descripción general
El circuito Colpitts, al igual que otros osciladores LC, consta de un dispositivo de ganancia (como un transistor de unión bipolar , un transistor de efecto de campo, un amplificador operacional o un tubo de vacío ) con su salida conectada a su entrada en un bucle de retroalimentación que contiene un circuito LC paralelo. ( circuito sintonizado ), que funciona como un filtro de paso de banda para establecer la frecuencia de oscilación.
Un oscilador Colpitts es el dual eléctrico de un oscilador Hartley , donde la señal de retroalimentación se toma de un divisor de voltaje "inductivo" que consta de dos bobinas en serie (o una bobina con derivación). La figura 1 muestra el circuito Colpitts de base común. L y la combinación en serie de C 1 y C 2 forman el circuito de tanque resonante paralelo , que determina la frecuencia del oscilador. El voltaje a través de C 2 se aplica a la unión base-emisor del transistor, como retroalimentación para crear oscilaciones. La figura 2 muestra la versión de colector común. Aquí, el voltaje a través de C 1 proporciona retroalimentación. La frecuencia de oscilación es aproximadamente la frecuencia de resonancia del circuito LC, que es la combinación en serie de los dos condensadores en paralelo con el inductor:
La frecuencia real de oscilación será ligeramente menor debido a las capacitancias de la unión y la carga resistiva del transistor.
Como con cualquier oscilador, la amplificación del componente activo debe ser marginalmente mayor que la atenuación del divisor de voltaje capacitivo, para obtener un funcionamiento estable. Por lo tanto, un oscilador Colpitts usado como oscilador de frecuencia variable (VFO) funciona mejor cuando se usa una inductancia variable para sintonizar, en lugar de sintonizar uno de los dos capacitores. Si se necesita sintonización por condensador variable, debe hacerse con un tercer condensador conectado en paralelo al inductor (o en serie como en el oscilador Clapp ).
Ejemplo practico
La figura 3 muestra un ejemplo de trabajo con valores de componentes. En lugar de transistores de unión bipolar , se podrían usar otros componentes activos como transistores de efecto de campo o tubos de vacío , capaces de producir ganancia a la frecuencia deseada.
El condensador en la base proporciona una ruta de CA a tierra para inductancias parásitas que podrían provocar resonancias no deseadas a frecuencias no deseadas. [6] La selección de las resistencias de polarización de la base no es trivial. La oscilación periódica comienza para una corriente de polarización crítica y con la variación de la corriente de polarización a un valor más alto se observan oscilaciones caóticas . [7]
Teoría
Un método de análisis de oscilador es determinar la impedancia de entrada de un puerto de entrada despreciando cualquier componente reactivo. Si la impedancia produce un término de resistencia negativo , es posible la oscilación. Este método se utilizará aquí para determinar las condiciones de oscilación y la frecuencia de oscilación.
Un modelo ideal se muestra a la derecha. Esta configuración modela el circuito colector común en la sección anterior. Para el análisis inicial, se ignorarán los elementos parásitos y las no linealidades del dispositivo. Estos términos se pueden incluir más adelante en un análisis más riguroso. Incluso con estas aproximaciones, es posible una comparación aceptable con los resultados experimentales.
Ignorando el inductor, la impedancia de entrada en la base se puede escribir como
dónde es el voltaje de entrada, y es la corriente de entrada. El voltaje es dado por
dónde es la impedancia de . La corriente que fluye hacia es , que es la suma de dos corrientes:
dónde es la corriente suministrada por el transistor. es una fuente de corriente dependiente dada por
dónde es la transconductancia del transistor. La corriente de entrada es dado por
dónde es la impedancia de . Resolviendo para y sustituyendo los rendimientos anteriores
La impedancia de entrada aparece como los dos condensadores en serie con el término , que es proporcional al producto de las dos impedancias:
Si y son complejas y del mismo signo, entonces será una resistencia negativa . Si las impedancias para y son sustituidos, es
Si un inductor está conectado a la entrada, entonces el circuito oscilará si la magnitud de la resistencia negativa es mayor que la resistencia del inductor y cualquier elemento perdido. La frecuencia de oscilación es la que se indica en la sección anterior.
Para el oscilador de ejemplo anterior, la corriente del emisor es de aproximadamente 1 mA . La transconductancia es de aproximadamente 40 mS . Dados todos los demás valores, la resistencia de entrada es aproximadamente
Este valor debería ser suficiente para superar cualquier resistencia positiva en el circuito. Por inspección, la oscilación es más probable para valores más grandes de transconductancia y valores más pequeños de capacitancia. Un análisis más complicado del oscilador de base común revela que una ganancia de voltaje del amplificador de baja frecuencia debe ser de al menos 4 para lograr la oscilación. [8] La ganancia de baja frecuencia viene dada por
Si los dos condensadores se reemplazan por inductores y se ignora el acoplamiento magnético, el circuito se convierte en un oscilador Hartley . En ese caso, la impedancia de entrada es la suma de los dos inductores y una resistencia negativa dada por
En el circuito Hartley, la oscilación es más probable para valores mayores de transconductancia y valores mayores de inductancia.
El análisis anterior también describe el comportamiento del oscilador Pierce . El oscilador Pierce, con dos condensadores y un inductor, es equivalente al oscilador Colpitts. [9] La equivalencia se puede mostrar eligiendo la unión de los dos condensadores como punto de tierra. Un dual eléctrico del oscilador Pierce estándar que usa dos inductores y un capacitor es equivalente al oscilador Hartley .
Amplitud de oscilación
La amplitud de la oscilación es generalmente difícil de predecir, pero a menudo se puede estimar con precisión utilizando el método de función descriptiva .
Para el oscilador de base común en la Figura 1, este enfoque aplicado a un modelo simplificado predice una amplitud de voltaje de salida (colector) dada por [10]
dónde es la corriente de sesgo, y es la resistencia de carga en el colector.
Esto supone que el transistor no se satura, la corriente del colector fluye en pulsos estrechos y que el voltaje de salida es sinusoidal (baja distorsión).
Este resultado aproximado también se aplica a osciladores que emplean diferentes dispositivos activos, como MOSFET y tubos de vacío .
Referencias
- ^ US 1624537 , Colpitts, Edwin H., "Generador de oscilación", publicado el 1 de febrero de 1918, publicado el 12 de abril de 1927
- ^ Gottlieb, Irving Gottlieb (1997). Manual práctico del oscilador . Estados Unidos: Elsevier. pag. 151. ISBN 0750631023.
- ^ Carr, Joe (2002). Componentes y circuitos de RF . Estados Unidos: Newnes. pag. 127. ISBN 0750648449.
- ^ Basak, A. (1991). Circuitos y sistemas electrónicos analógicos . Reino Unido: Cambridge University Press. pag. 153. ISBN 0521360463.
- ^ Rohde, Ulrich L .; Matthias Rudolph (2012). Diseño de circuitos de RF / microondas para aplicaciones inalámbricas, 2ª ed . John Wiley e hijos. págs. 745–746. ISBN 978-1118431405.
- ^ Publicación sin título de la Universidad de California en Santa Bárbara , p. 3.
- ↑ S. Sarkar, S. Sarkar, BC Sarkar. "Dinámica no lineal de un oscilador Colpitts basado en BJT con corriente de sesgo ajustable " Archivado el 14 de agosto de 2014 en la Wayback Machine . IJEATISSN 2249-8958 , Volumen 2, Número 5, junio de 2013. p. 1.
- ^ Razavi, B. Diseño de circuitos integrados CMOS analógicos. McGraw-Hill. 2001.
- ^ Theron Jones. "Diseñe un oscilador de cristal que se adapte a su aplicación" Archivado el 22 de enero de 2015 en Wayback Machine . Tutorial de Maxim 5265 18 de septiembre de 2012, Maxim Integrated Products, Inc.
- ^ Chris Toumazou, George S. Moschytz, Barrie Gilbert. Compensaciones en el diseño de circuitos analógicos: el compañero del diseñador, parte 1 .
Otras lecturas
- Lee, T. (diciembre de 2003). El diseño de circuitos integrados de radiofrecuencia CMOS . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0521835398.
- Rohde, Ulrich L .; Poddar, Ajay K .; Böck, Georg (mayo de 2005). El diseño de osciladores de microondas modernos para aplicaciones inalámbricas . Nueva York, NY: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-72342-8..
- Vendelin, George; Pavio, Anthony M .; Rohde, Ulrich L. (mayo de 2005). Diseño de circuitos de microondas mediante técnicas lineales y no lineales . Nueva York, NY: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-41479-4..
- Rohde, Ulrich L .; Apte, Anisha M. (agosto de 2016). "Todo lo que siempre quiso saber sobre los osciladores Colpitts". Revista de microondas IEEE . 17 (6): 59–76. doi : 10.1109 / MMM.2016.2561498 .
- Apte, Anisha M .; Poddar, Ajay K .; Rohde, Ulrich L .; Rubiola, Enrico (2016). Oscilador Colpitts: Un nuevo criterio de ahorro energético para fuentes de señal de alto rendimiento . Simposio Internacional de Control de Frecuencia IEEE. doi : 10.1109 / FCS.2016.7546729 .